医療用インプラントの市場需要がセラミック3Dプリントに破壊的な可能性をもたらす

セラミック材料の主な医療用途は股関節置換術です。人工股関節形成術におけるセラミックの応用は数十年前に始まりました。中国では、上海材料研究所の張培志教授がセラミック人工股関節の研究で長年の経験を持っています。現在、股関節置換手術の件数は世界中で増加しています。人口の高齢化に伴い、毎日何百人もの人が股関節置換手術を受けています。現在、市場で使用されている股関節インプラントのほとんどはチタンとセラミックで作られています。

セラミックは人体に含まれる化学物質に対する耐性があるため、医療用途に最適な素材です。さらに、セラミック材料は金属やポリエチレンに比べて耐摩耗性に優れていることがわかっています。通常、セラミック部品は 20 年以上良好な状態を維持でき、一部のセラミック部品の摩耗率は 300 万サイクルあたりわずか 0.032 mm です。セラミック材料の生体適合性とは、体内に挿入されたときにいかなる種類の化学反応も引き起こさないことを意味します。これは、材料の強力な化学結合と高純度の組成によるものです。

もちろん、すべてのセラミックが非分解性というわけではありません。 3Dプリントセラミックインプラントの用途は、耐摩耗性や耐薬品性に限定されません。セラミックインプラントには、窒化ケイ素、アルミナ、ハイドロキシアパタイトなどの種類があります。その中でも、ハイドロキシアパタイトなどのセラミック材料は生体適合性が高く、移植後、徐々に分解され、人体に吸収されます。バイオエンジニアリングや再生医療の分野の科学者は、このようなセラミック材料の特性を利用して、骨欠損を修復するためのセラミックバイオスキャフォールドを開発しています。

世界のインプラント市場の大手企業は、より多くの消費者を引き付けるために、製品の差別化を実現し、価格の差別化を維持することに重点を置いています。世界のインプラント市場は、Zimmer Biomet、Johnson & Johnson、Depuy、Stryker、Smith & Nephew がリードしています。これらの企業は世界市場で大きなシェアを占めています。
- Amedica はシリコン窒化物材料を整形外科用インプラントの製造に応用しています。Amedica のシリコン窒化物材料の安定性、耐摩耗性、強度、破壊靭性、抗菌性は、インプラント製造の要件を満たすことができます。 Amedica が使用する窒化シリコンインプラントの 3D 印刷技術は、ロボット堆積またはロボキャスティングです。自動グラウト技術は、緻密なセラミック材料と複合材料の製造技術です。この技術は、CAD設計を通じて製品の構造図を取得します。装置はCAD設計図に従ってセラミックスラリーの層を押し出し、次にスラリー押し出し装置は設計図で決定された高さまで正確に上昇し、第1層に基づいて第2層のスラリーを押し出します。セラミックスラリーを層ごとに押し出し成形することで、複雑なセラミックの三次元構造を作製します。 3Dサイエンスバレーによると、清華大学材料科学工学部など、国内の科学研究機関も自動グラウト成形技術を研究・研究している。

- 骨再生促進の点では、米国ノースウェスタン大学の材料科学者が3Dプリントに適したハイドロキシアパタイト材料を開発しました。この材料に一定の割合の乳酸グリコール酸を加えることで、成長因子を添加する必要なく、3Dプリントされたスキャフォールドに優れた骨再生促進能力を持たせることができます。具体的には、米国のノースウェスタン大学が、室温で1時間あたり275立方センチメートルの骨修復用スキャフォールドを3Dプリントできる新しい3Dプリント液体インク材料を開発しました。この材料を使用して 3D プリントされた骨修復スキャフォールドは、優れた靭性と吸着能力を示します。通常のハイドロキシアパタイト材料の足場とは異なり、このインクで印刷された足場は、圧迫されてもすぐに元の形状に戻ります。スキャフォールドは50%の多孔度を持ち、ヒト細胞の成長と増殖をサポートします。

- 個別に準備されたインプラントの 3D プリントを通じて組織の欠損を修復すると、外科手術の精度と安全性が大幅に向上します。オーストリアのLithoz社が製造する3Dセラミック印刷装置は、この医療ニーズを満たす骨インプラントを印刷することができます。 Lithoz は、積層造形の概念に基づいて、構造セラミックを製造するための独自の優れた方法を開発しました。 LCM 技術 (フォトリソグラフィーに基づくセラミック 3D プリント) により、従来の方法で大量生産された部品と同等の材料性能を備えた高性能セラミック機能部品を迅速かつ経済的に生産することが可能になります。 Lithoz の LCM テクノロジー 3D セラミック印刷装置は、さまざまな気孔サイズと複雑な気孔構造を持つセラミック製品を製造できます。たとえば、骨インプラントとして使用されるバイオセラミックスキャフォールドのリン酸三カルシウムサンプルを製造できます。これらのサンプルは、従来のプロセスで製造された同じ部品と同等の生体適合性を維持し、さまざまな性能特性を備えています。
さらに、オランダのモーゲステルにある Admatec 社も、感光性樹脂とセラミック粉末の混合物を硬化させるために UV レーザーを使用しています。

- 商業化の面では、欧州RESTORATION研究プロジェクトとそのパートナーであるJRI Orthopaedicsが、下顎、脊椎、膝の3つの異なる用途向けに新しい吸収性バイオセラミック材料を開発しました。これらの製品は局所的な関節欠損部に適用でき、低侵襲手術を通じて患者の痛みを軽減します。 JRI Orthopaedics は、整形外科用インプラントおよび手術器具を製造する英国の企業です。プロジェクトの研究結果に基づき、JRI Orthopaedics は、骨充填材として使用できるバイオセラミックや、骨軟骨欠損の治療に使用できる 3D プリントプラグなど、自社製品の開発に向けたさらなる研究開発を進めます。 RESTORATION プロジェクトで開発されたバイオセラミックスは、円錐状の歯の修復や顎顔面骨折の修復にも使用されます。

- 研究面では、トロント大学生体材料・生体医学工学研究所のボブ・ピリアー教授は、次世代の整形外科置換手術をターゲットとした、より自然な整形外科材料を常に探しています。人工膝関節や人工股関節を置き換えるには、材料の構成要素が生分解性と耐久性を備えている必要があります。ボブ・ピリアー教授は、最終的に、人間の骨に含まれるのと同じミネラルでできた粉末であるポリリン酸カルシウムの秘密を発見し、カナダのバイオセラミックスの父という称号を得ました。

ボブ・ピリアー教授のバイオセラミックインプラント製造システムは、紫外線を使用してリン酸カルシウム粉末を固め、Vlasea は非常に精密なチューブと腔内インプラントを作成することができます。蟻塚のように、小さな穴が栄養素を輸送するためのパイプの内部ネットワークを可能にします。インプラントが埋め込まれると、その人の自然な骨細胞が拡散し、徐々に自然な骨構造を形成します。内部の気孔配置の構造は、インプラント内の天然骨がさまざまな速度で成長できるように設計することもできます。同じ設計原理は、燃料電池や歯科インプラントの設計にも適用できます。時間の経過とともに、3Dプリントされたポリリン酸カルシウムは徐々に人体に吸収され、患者自身の組織と細胞がインプラントの位置を置き換え、人工インプラントの形状を維持します。研究者たちの取り組みは小さな骨インプラントに留まらない。彼らはより大きなインプラントを印刷しようとしており、成功すれば患者に大きな利益をもたらすだろう。

つまり、非分解性セラミック材料であれ、分解性セラミック材料であれ、それぞれの利点を活かしてインプラントの分野でますます活躍の場を広げているのです。医療用インプラントの市場需要がセラミック 3D プリント市場の成長をさらに促進することは間違いありません。3D Science Valley の見解では、セラミック 3D プリント技術の向上により、このアプリケーションはインプラント分野に大きな破壊的可能性を秘めている可能性があります。

出典: 3D Science Valley 詳しい情報:
上海理工大学はセラミック材料の3Dプリントを展示し、義歯を印刷した。

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